QSense技术在*冠状病毒研究中的用途探讨
作者Archana Jaiswal，本文阅读时长约需7分钟
行业：清洁与化工、材料科学
科学技术：石英晶体微天平
材料：洗涤剂、表面活性剂
*冠状病毒（COVID-19）的快速传播是目前全球*令人担忧的问题，世界卫生组织(WHO)早已将其宣布为大流行病。美国食品和药物管理局(FDA)、美国国立卫生研究(NIH)和其他几个政府组织也打破不同部门间的壁垒，以满足疫苗开发和治疗的迫切需求，科研人员也在加速寻找治疗COVID-19的方法，但*重要的还是如何防止它进一步传播。目前可以明确的是，*冠状病毒会在密切接触的人与人之间传播。当感染者咳嗽或打喷嚏时，含有病毒的呼吸道飞沫会感染附近（*远可到6英尺）的其他人。
另一个传播途径很可能是接触到被病毒污染的公用物品的硬表面（门把手、栏杆、电梯开关等），然后再通过眼睛、鼻子或嘴巴进入人体，因此美国疾病控制与防治中心（CDC）建议尽量避免触摸脸部。污染到硬表面的病毒已被证明可以保持活力和传染性数天【1-3】，而且这些病毒还可以进一步传播到其他表面，不断传播。
CDC建议佩戴外科口罩和其他个人防护设备、经常用肥皂和清水洗手以及定期清洁硬表面，以阻止*冠状病毒的传播[图1]。虽然关于这种病毒的确切性质和评估通过硬表面传播的研究还在进行中，但已有报告表明*冠状病毒SARS-CoV-2是*容易被洗涤剂/肥皂和某些消毒剂破坏的病毒类型[4-5]。
图1 用肥皂洗手以去除病毒
如图2 所示，SARS-CoV-2病毒粒子由单链RNA的核衣壳核心、脂质双层、膜蛋白和镶嵌在脂质包膜中的棒状刺突蛋白组成[6-7]，刺突蛋白的存在有利于病毒附着并感染人类细胞，不过与许多胃肠道病毒（如诺如病毒，具有称为衣壳的坚韧蛋白质外壳）相比，这些病毒的保护性脂质涂层*容易失活。
可以破坏这种脂质包膜的产品包括肥皂（通常为表面活性剂）、酒精消毒剂、漂白剂和其他强氧化剂。美国环境保护署批准并发布了一份消毒剂产品清单，这些产品对消杀SARS-CoV-2病毒有效。
肥皂与*冠状病毒的作用机制如图2所示，当用肥皂和水清洗被病毒污染的表面时，肥皂分子会将病毒包裹住，肥皂分子的疏水端（更亲油或亲脂）会穿透脂质包膜，并将其破坏，接下来被破坏的病毒碎片在水中以小胶束的形式被冲走[8]。
图2 肥皂与*冠状病毒相互作用机制
分析清洁剂清洁表面的有效性非常重要，而且需要一种高效的手段。耗散型石英晶体微量天平(QCM-D)是一种在纳米尺度上实时分析表面现象的传感技术，已广泛应用于实时监测硬表面的质量变化（脂质、脂肪、油脂、生物膜等）。
典型的QCM-D实验过程如下：首先将带有待测试涂层的芯片置于流动模块中，然后再将该模块放置在温度可以实时控制的样品室内。施加合适的驱动电压来激发芯片，同时实时监测芯片的频率变化∆F和能量耗散变化∆D。ΔF与芯片表面上的质量变化有关，而ΔD则提供了有关粘弹性变化的信息。
图3 瑞典百欧林科技有限公司生产的QSense Pro耗散型石英晶体微量天平
为了分析表面活性剂或清洁剂洗脱下来的质量，首先在芯片上涂上要评估的材料。然后通入洗涤剂溶液流过芯片表面，实时监控∆F和∆D，我们以图4展示的数据为例。
表面活性剂去除三油酸甘油酯
本案列中，研究人员使用QCM-D来研究非离子表面活性剂Triton X-100对三油酸甘油酯的去除效果。三油酸甘油酯与病毒外壳*相近，因此可能可以从中收集到如何将其从表面上去除的信息。首先将三油酸甘油酯旋涂到金芯片上，构建所需模型表面，随后考察不同浓度和温度下Triton X的作用效果和去除效率。
结果表明，所有浓度的Triton X-100通入时都会使三油酸甘油酯溶胀，如图4所示。当Triton X-100的浓度低于临界胶束浓度时，其要么吸附在三油酸甘油酯表面上(0.1xCMC)，要么只能部分去除三油酸甘油酯(0.9xCMC)，而当Triton X-100的浓度高于临界胶束浓度时(10xCMC)，几乎所有的涂层都被去除了。此外，去除速度还受温度影响，如下图所示，温度越高，去除速度越快。
图4 40℃下，先通入TritonX-100表面活性剂（10分钟），再通入水（58分钟），厚度为40nm脂质膜的变化（左图）。相对厚度*是指制备的甘油三油酸酯薄膜的起始厚度。温度影响见右图。
细菌细胞对表面活性剂和脂多糖的响应
在另一个案例中，Fatisson等人[9]使用QCM-D实时原位检测表面活性剂Triton-X 100 (TX-100)和细菌脂多糖(LPS)两种细胞形态剂引起的原代内皮细胞的细胞骨架变化。牛主动脉内皮细胞（BAEC，浓度5 × 104个/mL）与聚赖氨酸修饰过的二氧化硅芯片共孵育24小时(37℃, 5% CO2)，然后装入到QSense流动模块中，通入细胞培养基（37℃）平衡，*，通入含有上述细胞形态剂的细胞培养基，并用QCM-D实时监测细胞响应（细胞骨架变化）[9]。
细胞对细胞形态剂的响应，是细胞形态剂经由不同的力学和/或生化途径引起细胞的形态变化，例如TX-100会引起细胞收缩和裂解，LPS会使细胞变圆。数据结果表明，这些形态变化都可以用QCM-D来检测和表征，更重要的是，QSense还可以用来预测细胞毒性，因为细胞毒剂会使QCM-D信号发生变化。
采用类似的方法，QSense可以用来分析清洁和消毒产品在各种条件下对SARS-CoV-2涂层表面的作用。我们还提供各式各样用于建模的硬涂层芯片，包括金属、金属氧化物、玻璃、钢和聚合物等。芯片可以从瑞典百欧林科技有限公司购买。
参考：
1.Journal of Hospital Infection 2020,DOI: 10.1016/j.jhin.2020.01.022
2.MedRxiv 2020, DOI: 10.1101/2020.03.09.20033217
3.New England Journal of Medicine (2020, DOI: 10.1056/NEJMc2004973
8.https://www.nytimes.com/2020/03/13/health/soap-coronavirus-handwashing-germs.html
9.J. Fatisson et al. Biosensors and Bioelectronics 26 (2011) 3207–3212
